一种航空发动机大口径超薄壁件数控立车加工方法
阅读说明：本技术 一种航空发动机大口径超薄壁件数控立车加工方法 (Numerical control vertical lathe machining method for large-caliber ultrathin-wall part of aircraft engine ) 是由 唐建国 王思慧 仝少博 窦爱国 王永清 唐志军 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：一种航空发动机大口径超薄壁件数控立车磨的加工方法,利用耐高温合金粉末通过增材技术3D打印成航空发动机大口径超薄壁件,3D增材时工件的两端连接部分放出壁厚8-15％的加工余量,经如下热处理工艺,加热温度1160～1195℃,保温时间1～36h,然后冷却至室温；采用高频加热方法,保温时通过控制高频线圈的电流来实现；处理后的坯件经工装和数控立车车削加工,数控立车底盘是旋转轴夹头改装成旋转定心底板带动工件进行旋转,旋转Z轴垂直于水平面,车刀刀头能够编程进行XZ轴的平动与上下进给控制车刀的车削。(A machining method of a numerical control vertical lathe mill for an aircraft engine large-caliber ultrathin-wall part comprises the steps of utilizing high-temperature-resistant alloy powder to print the large-caliber ultrathin-wall part through a material increase technology in a 3D mode, discharging machining allowance of 8-15% of the wall thickness of the two end connecting parts of a workpiece during 3D material increase, heating to 1160-1195 ℃ through a heat treatment process, keeping the temperature for 1-36 hours, and then cooling to the room temperature; a high-frequency heating method is adopted, and the heat preservation is realized by controlling the current of a high-frequency coil; the processed blank is turned by a tool and a numerical control vertical lathe, a chassis of the numerical control vertical lathe is formed by modifying a rotary shaft chuck into a rotary centering bottom plate to drive a workpiece to rotate, a rotary Z shaft is vertical to a horizontal plane, and a tool bit of the turning tool can be programmed to carry out translation of an XZ shaft and turning of an up-and-down feeding control turning tool.)
技术领域
本发明涉及一种航空发动机超薄壁零件的加工方法，具体涉及一种航空发动机大口径超薄壁件3D打印+数控立车磨的加工方法。
背景技术
航空发动机环形大口径超薄壁件即下称的工件是圆筒或锥筒的结构，是发动机高低压段的大气流量模态转换机构(或者说是变循环机构)机构，此件上安装的部分零件为翅片状结构。长度会在50厘米以上甚至达到80-90厘米，壁厚的最薄处不到1.2毫米，还需要有较好的动力学特性。通过同步环机构传导系统控制所有叶片的开合大小实现对发动机涵道大气流量分配来实现发动机性能热力参数的调节控制。
对叶片的要求内壁和外壁均具有极好的圆度和光滑性，其精度要求很高(10微米精度)，并能够耐高温，热变形小从而减少气流泄漏损失，提高航空发动机的效率。在万一发生共振动磨擦时，由于大口径超薄壁件设计成壁厚仅为0.25mm左右，可以起到减震的作用，所以环形大口径超薄壁件的使用能有效减少该机构的振动，保证航空发动机在恶劣工况下还能够稳定高效运行。
航空发动机环形大口径超薄壁件须采用镍基耐高温合金。
CN201610812806.X一种钛合金薄壁壳体铸坯精加工模具及其加工方法，钛合金薄壁壳体铸坯外包覆外浇筑模具，内包含内浇注模具；通过对钛合金薄壁壳体铸坯外表面经行易熔合金外浇筑，使钛合金薄壁壳体外表面增厚，切削内表面时不会造成薄壁变形，同理对钛合金薄壁壳体铸坯内表面经行易熔合金内浇筑，使钛合金薄壁壳体内表面增厚，切削外表面时不会造成薄壁变形，通过该模具及加工方法可有效提高零件的刚度和强度。
CN201410000998.5铝合金薄壁机匣精密台阶孔的加工刀具和加工方法，加工刀具通过车刀杆座来连接车刀和机床刀座部位，从而增加了车刀的可切削范围，提高了车刀的自由度，尤其是在加工铝合金薄壁机匣精密台阶孔时，方便将车刀伸入薄壁机匣内部。该加工方法中，先将薄壁机匣大端朝下，小端朝上放置于夹具上，然后将薄壁机匣大端的装夹固定面上的螺钉孔与夹具装夹固定面上螺钉孔对齐，并通过螺钉将薄壁机匣装夹固定在夹具上，之后再进行台阶孔的加工，该加工方法只需要进行一次装夹即可完成整个台阶孔的加工，并且，铝合金薄壁机匣不会因为装夹外力而变形，从而保证了加工质量，提高了加工效率。
数控立车底盘是旋转轴夹头或改装成旋转平台带动工件进行回旋旋转，旋转Z轴垂直于水平面，车刀刀头能够编程进行XY的平动与上下进动控制车刀的车削，车刀本身并无旋转的功能，虽然得到广泛应用且成本价格均较低，但并不能直接用于上述薄壳构件的加工，何况翅片状结构必须要用到多轴数控铣加工中心，此时在薄板上加工是极为困难的，且加工效率不高；而在厚筒材料上利用多轴数控铣加工中心来进行加工则工时太长，对机床的编程与夹具有调整极为困难，成品率堪优：在机械切削力作用下，大部分材料因基体材料切除而会偏离向另一边。
如果仅采用3D打印成航空发动机大口径超薄壁件比较难以达到工艺上的要求，主要是由于工件的尺寸大的薄壁结构，经热处理有变形的问题，工件的圆度和精度肯定受到影响，因此3D增材时还是应当放出余量通过车削的效果最好。
随着数字建模等技术的发展，采用现代的和传统的工艺能保证加工零件的质量，而不需要价格昂贵的专用设备及工时安排，提高效率和有效节约生产制造成本是加工技术的方向。
发明内容
本发明目的是，针对上述问题，提出一种航空发动机环形大口径超薄壁件3D打印+数控立车磨的加工方法，尤其是采用数控立车设备进行车削加工，采用专门的工夹具和定位调整，数控立车设备的编程车刀加工切削，不仅加工找正(准确的定心位置)便捷、可靠，加工周期短，且加工精度高、加工效率高。
本发明方法是通过以下技术方案实现的：一种航空发动机大口径超薄壁件数控立车磨的加工方法，利用耐热合金粉3D打印成航空发动机大口径超薄壁件，3D增材时还是应当放出薄厚8-15％的冗余厚度，经如下热处理工艺，加热温度1160～1195℃,保温时间1～36h,然后冷却至室温；采用高频加热方法热处理，热处理的保温时通过控制高频线圈的电流(功率)来实现；处理后的坯件经如下工装固定和数控立车车削加工，数控立车底盘是旋转轴夹头改装成旋转定心底板带动工件进行旋转，旋转Z轴垂直于水平面，车刀刀头能够编程进行XY的平动与上下进动控制车刀的车削，工装结构如下：设有定心底板链接机床位于地表面的主(旋转)轴；定心底板中央为凸出的圆筒或圆筒内模板，圆筒的直径小于工件筒的内径，且圆筒的旋转轴为立车的主轴，设有圆筒内模板内衬工件，圆筒的外柱面固定内模板的内柱面；
利用圆筒或圆筒内模板校正工件的轴心，将熔化的热熔蜡注入工装与工件之间固定工件，而后利用车刀车削内模板圆筒高度上方没有遮住的区域，当工件的上端一半以上内外表面均车削完成后，再将工件上下颠倒后，用上述方法安装固定颠倒后工件的下方，用圆筒或圆筒内模板定位工件并用热熔蜡固定住工件，安装后工件上端一半以上内外表面进行车削即车削原先位于下端不到一半的内外表面。
利用圆筒内模板校正工件的轴心的方法是，圆筒内模板1的设有二至三组(平行于水平面的)圆周上120度均匀分布的三颗螺栓，三颗螺栓呈12点、4点、8点能旋出内模板并能调整螺栓的旋出长度；工件套在内模板后，调整12点、4点、8点螺栓伸出内模板抵柱工件内壁相对固定后，定心底板带动工件低速旋转用关节臂固定千分表(百分表)触头接触工作的壁面在线检测工件的轴心，调整一至二组(平行于水平面的)120度均匀分布的三颗螺栓12点、4点、8点螺栓伸出长度至工件的轴心与机床的轴一致时则定心成功。
进一步，在一至二组平行于水平面的120度均匀分布的三颗螺栓12点、4点、8点螺栓中央设有第二组三颗螺栓，第二组三颗螺栓再进行伸出固定，再将熔化的热熔蜡注入。圆筒内模板1与定心底板的加工定心是必须的，此为与立车的夹具一体化的结构。
进一步，工件上设有壁孔时，再用外圆筒模板5与圆筒内模板1一道包裹住工件，将熔化的热熔蜡3注入外圆筒模板与内圆筒模板工装与工件之间(可以多阶段注入)；外模板圆筒是多片包裹式以及柔性式，只起一个包裹液体固定蜡的作用，室温时蜡固化，则将外模板圆筒拆除进行立车加工。
安装百分表(千分表)，百分表触头接触到工件边缘的圆周，旋转工件及旋转螺栓观察百(千)分表无跳动或最低跳动；则轴心定心完成，再用第二组三颗螺栓伸出长度固定(可以采用相同力矩的搬手进行固定)。
当工件筒并没有壁孔的结构时只使用内模板圆筒。
外模板圆筒是多片包裹式以及柔性式，只起一个包裹液体固定蜡的作用，室温时蜡固化，则将外模板圆筒拆除，工件外壁存在余蜡(热熔蜡，熔点在65-100℃，完全熔化温度在80℃左右)不影响对工件外筒的全车削(只要用车刀将蜡轻易削除)；内模板圆筒的高度是有限的，不超过工件高度的一半。
有益效果：本发明加工的对象是尺寸小且薄壳结构，提出一种航空发动机环形大口径超薄壁件3D打印+数控立车磨的加工方法，尤其是采用数控立车设备进行车削加工，采用专门的工夹具和定位调整，数控立车设备的编程车刀加工切削，不仅加工找正(准确的定心位置)便捷、可靠，加工周期短，且加工精度高、加工效率高。利用精车的精度高，精度和效率均大幅改善。即使是圆筒结构也能尽快的进行调整对准轴心定位装配在数控立车工作台，易精确找正，提高加工效率，本发明无论工时花费、立车的加工成本还远低于五轴加工中心是一种加工，易于编程，加工工艺可靠，加工周期短，加工精度高，易检测。
附图说明
图1为壁孔结构及翅片结构的筒工件，略有锥形斜度的筒；
图2为加工时(内外模板)工装与工件以及定心底板链接立式机床的结构剖视示意图。
具体实施方式
根据附图所述加工工装和方法，航空发动机大口径超薄壁件(图1所示为带翅片结构的筒即工件4)数控立车磨的加工方法，利用耐热合金粉(典型的是镍基合金粉)3D打印成航空发动机上尺寸符合的大口径超薄壁件坯件即工件4，3D打印增材时还是应当放出薄厚8-15％的冗余厚度，冗余厚度达到0.1-0.4mm；如果工件(筒)的直径更大，主要是厚度冗余达到0.5-0.8mm。壁孔等细节无须冗余。坯件增材完成后经如下热处理工艺，加热温度1160～1195℃,保温时间1～36h,然后冷却至室温；采用高频加热方法，保温时通过控制高频线圈的电流(功率)来实现；处理后的坯件经如下工装和数控立车车削加工，数控立车底盘是旋转轴夹头改装成旋转定心底板2带动工件进行旋转，旋转Z轴垂直于水平面，车刀刀头能够编程进行XY的平动与上下进动控制车刀的车削，须采用的工装结构如下：设有定心底板链接机床位于地表面的主(旋转)轴；定心底板中央为凸出的空心凸出圆台或圆筒(或定心底板中央为孔，后来安装空心凸出圆台或圆筒作为与圆筒内模板1一体的构件)，或另设有内模板圆筒与凸出圆台或圆筒固定，或内模板圆筒与凸出圆台一体化，内模板圆筒的直径小于工件筒的内径(高度低于工件的一半高度)，且内模板圆筒的旋转轴为立车的主轴，设有内模板圆筒衬住工件；工件套在内模板圆筒上。
利用内模板圆筒校正工件的轴心：圆筒内模板的设有一至三组(更多组也是可以的)不同高度上平行于水平面的120度均匀分布的三颗螺栓，三颗螺栓呈12点、4点、8点能旋出内模板并能调整螺栓的旋出长度；工件套在内模板后，调整12点、4点、8点螺栓伸出内模板抵柱工件内壁相对固定后，定心底板带动工件低速旋转用关节臂固定千分表(百分表)触头接触工作的壁面在线检测工件的轴心，调整一至二组(平行于水平面的)120度均匀分布的三颗螺栓6在12点、4点、8点螺栓伸出长度至工件的轴心与机床的轴一致时则定心成功(如果工件质量大，则可以在一至二组(平行于水平面的)120度均匀分布的三颗螺栓12点、4点、8点螺栓中央设有第二组三颗螺栓6，第二组三颗螺栓再进行伸出固定；再用外模板包裹住工件，将熔化的热熔蜡3注入工装与工件之间(可以多阶段注入)，尤其是强化固定住工件与内模板；当工件筒并没有壁孔的结构时可以只使用内模板。
利用圆筒内模板校正工件的中心会有多种方法，圆筒内模板与工件内壁间可以垫有不同厚度的契形物调整后工件与内模板圆筒的间隙，契形物调整校正好工件的轴心再用螺栓在圆筒内模板伸出固定工件的内壁也是一种调整轴心的方式。
如图所示的工件须采用外模板圆筒5，外模板圆筒是多片包裹式以及柔性式，只起一个包裹液体固定蜡的作用，冷却到室温时蜡固化，则将外模板圆筒拆除，工件外壁存在余蜡(热熔蜡，熔点在65-100℃，完全熔化温度在80℃左右)不影响对工件外筒的全车削(只要用车刀将蜡轻易削除)，而内模板圆筒的高度是有限的，一般不超过工件高度的一半；所以同时能够利用数控编程的车刀车削内模板圆筒高度上方没有遮住的区域，冗余量车削完成。
所以本发明能同时对付柱形或锥形筒形的工件的外表面的车削，以及对内模板圆筒上部内壁的车削；当工件的上端一半以上内外表面均车削完成后，再将工件上下颠倒后，用上述方法安装固定颠倒后工件的下方，用内模板圆筒定位工件的轴心，并用热熔蜡固定住工件，安装后工件上端一半以上内外表面进行车削(即车削原先位于下端不到一半的内外表面)。
内模板圆筒均匀分布的三颗螺栓6，螺栓在调节位置时安装百分表，百分表触头接触到工件圆周时观察百(千)分表无跳动或最低跳动，最后再用第二组三颗螺栓伸出长度固定(可以采用相同力矩的扳手进行紧固)。
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